Verschleißfreie Schaltung von elektrischen Heizungen mit Thyristorschaltern

Um Lasten verschleißfrei zu schalten, verwendet man elektronische Schaltelemente, so genannte Thyristorschalter oder Thyristorsteller. Der Unterschied zwischen Thyristorschaltern und ~stellern ist im Wesentlichen, dass die Steller intelligenter sind und neben einer einfacheren Ansteuerung noch diverse Überwachungs- und Regelungsfunktionen beinhalten können. Das Grundprinzip der Lastschaltung ist aber bei beiden Typen gleich. Es gibt zwei wesentlich unterschiedliche Schaltungsmöglichkeiten: der Pulsgruppenbetrieb, bei dem immer ganze Halbwellen der Wechselspannung durchgeschaltet bzw. gesperrt werden und die Phasenanschnittschaltung. Bei dreiphasigen Heizungen findet (fast) immer der Pulsgruppenbetrieb Anwendung, weil hierbei der Schaltungsaufwand und die Netzstörungen geringer sind als bei der Phasenanschnittschaltung. Bei der letzteren Variante werden für Drehstromnetze drei Thyristoren benötigt (sonst reichen zwei) und eine Last in Sternschaltung (sonst geht auch eine Dreieckschaltung).

Die Spannung wird im Regelbetrieb zu einem gewissen Anteil ein- und ausgeschaltet. Werden von den 100 Halbwellen in jeder Sekunde (bei 50 Hz) einzelne Halbwellen ein- oder ausgeschaltet, ist ein prozentgenaues Anpassen der Leistung möglich. Wie schnell man ein- und ausschalten muss, hängt von der Trägheit der Heizung ab. Da die Trägheit elektrischer Heizungen oft im zweistelligen Sekunden oder gar Minutenbereich liegt, kann die Periodendauer der Pulsgruppe entsprechend auch deutlich mehr als die oben genannte Sekunde eingestellt werden, ohne dass die Wärmeabgabe dies erkennen lässt. Über die Trägheit der Heizung wird die diskontinuierliche (elektrische) Leistungsaufnahme sozusagen gemittelt abgegeben.

Da die Stromaufnahme der Heizung über das Ohm’sche Gesetz direkt von der Spannung abhängt, tritt natürlich auf dem Netz ein periodischer Stromfluss auf, der mit den Einschaltzeiten des Thyristorschalters korreliert.

Das ist beim Schalten der Lasten mit Schaltschützen im Prinzip genau so, der Unterschied liegt aber darin, dass mechanische Schalter nur eine begrenzte Lebensdauer (Größenordnung 100.000 Schaltspiele) haben. Schaltet man in jeder Minute einmal hin und her, bedeutet das, dass die Lebensdauer schon nach gut zwei Monaten erreicht ist und das Schütz ausgetauscht werden muss! Bei Thyristorschaltern tritt dieses Problem nicht auf (sie verschleißen praktisch nicht). Dafür haben sie drei andere Nachteile: sie benötigen teurere (weil schnellere) Sicherungen, sie haben eine größere Verlustleistung (Größenordnung ein Watt pro Ampere je Thyristor) und sie trennen nicht komplett vom Netz (es fließt immer ein Reststrom in der Größenordnung von mehreren zehn Milliampere).